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中国空间站燃烧科学实验系统PIV单元地面试验

何丽芳 郑会龙 王希坤 杨肖芳 张晓武

何丽芳, 郑会龙, 王希坤, 杨肖芳, 张晓武. 中国空间站燃烧科学实验系统PIV单元地面试验[J]. 空间科学学报, 2022, 42(6): 1152-1160. doi: 10.11728/cjss2022.06.211123121
引用本文: 何丽芳, 郑会龙, 王希坤, 杨肖芳, 张晓武. 中国空间站燃烧科学实验系统PIV单元地面试验[J]. 空间科学学报, 2022, 42(6): 1152-1160. doi: 10.11728/cjss2022.06.211123121
HE Lifang, ZHENG Huilong, WANG Xikun, YANG Xiaofang, ZHANG Xiaowu. Ground Experiment Investigation of PIV Unit for Combustion Science Experimental System of China Space Station (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2022, 42(6): 1152-1160 doi: 10.11728/cjss2022.06.211123121
Citation: HE Lifang, ZHENG Huilong, WANG Xikun, YANG Xiaofang, ZHANG Xiaowu. Ground Experiment Investigation of PIV Unit for Combustion Science Experimental System of China Space Station (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2022, 42(6): 1152-1160 doi: 10.11728/cjss2022.06.211123121

中国空间站燃烧科学实验系统PIV单元地面试验

doi: 10.11728/cjss2022.06.211123121
基金项目: 中国载人航天工程计划燃烧科学实验系统项目资助
详细信息
    作者简介:

    何丽芳:E-mail:helifang@iet.cn

    通讯作者:

    郑会龙,E-mail:zhenghuilong@iet.cn

  • 中图分类号: V524

Ground Experiment Investigation of PIV Unit for Combustion Science Experimental System of China Space Station

  • 摘要: 中国空间站燃烧科学实验系统是用于开展微重力燃烧实验研究的综合性科学实验平台,可以实现燃烧流场测量。为了验证燃烧科学实验系统粒子图像测速(PIV)单元对燃烧流场测量的功能与可行性,本文基于与在轨状态一致的连续激光器和相机的空间布局,搭建了地面层流圆孔射流试验平台,选取Al2O3,TiO2,ZrO2三种示踪粒子进行冷态试验与热态试验。试验结果表明,自主研制Nd∶YVO4泵浦连续激光器偏光角度合适,能照亮被测流场主流区域,燃烧科学实验系统PIV单元可用于低速燃烧流场测量;相同工况下,Al2O3粒子在冷态试验测量的速度值更接近于理论值,速度幅值比更接近1,更适用于低速流体测量。

     

  • 图  1  燃烧科学实验系统PIV单元

    Figure  1.  Combustion science experimental system of PIV unit

    图  2  试验系统

    Figure  2.  Schematic of experimental system

    图  3  三种示踪粒子在相同试验工况下的冷态射流

    Figure  3.  Three tracer particles under the same non-reacting condition

    图  4  三种示踪粒子的冷态速度矢量云图

    Figure  4.  Velocity vector plots of the three tracer particles under non-reacting flow field

    图  5  不同射流断面的速度分布与Al2O3粒子归一化速度分布

    Figure  5.  Velocity profiles at different jet sections and normalized velocity of Al2O3 particles

    图  6  三种示踪粒子沿射流中心轴上的速度分布

    Figure  6.  Velocity distributions of the three tracer particles along the central axis of the jet

    图  7  相同热态试验工况下的粒子信息场

    Figure  7.  Particle information field under the same reacting condition

    图  8  Al2O3粒子测量的热态流场

    Figure  8.  Velocity measured by Al2O3 particles

    表  1  激光流场诊断技术

    Table  1.   Laser diagnostic technology of flow field

    测速方法测量原理测量特点不足
    粒子图像测速技术(PIV) 粒子示踪
    激光散射
    粒子成像
    互相关算法
    特定波长激光激发
    粒子成像可见性
    多点瞬时流场
    需添加示踪粒子
    激光多普勒测速技术(LDV) 粒子示踪
    激光散射
    光电转换
    多普勒频移
    单一频率激光激发
    分光、聚焦光路
    光信号收集与检测
    需添加示踪粒子
    单点测量
    激光诱导荧光技术(LIF) 分子示踪
    激光诱导荧光
    光谱比分法
    紫外调谐激光激发
    多种组分
    定性化测量
    荧光弱、时间短
    吸收波段窄
    可调谐二极管激光吸收光谱技术 (TDLAS) 分子示踪
    零吸收基线拟合
    多普勒频移
    激光激发
    吸收中心频移
    分光、聚焦光路
    空间分辨率低
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    表  2  连续激光器与高速相机主要技术参数

    Table  2.   Main parameters of camera and laser

    连续激光器高速相机
    激光器类型 Nd∶YVO4 相机型号 PCO.DIMAX.CS1 (黑白版本)
    尺寸/mm 211×190×344 尺寸/mm 85×85×102.5
    质量/kg 7.9 (不含水冷) 质量/kg 0.985 (含C-mount)
    激光功率/W 10 曝光时间/ms 0.0015~40
    功率稳定性 小于3% (RMS) 像元尺寸/μm 11×11
    波长/nm 532 图像拍摄速率/(frame·s–1) 3086 (满分辨率1296 pixel×1024 pixel)
    偏光角度/(°) 15 ISO灵敏度 1250~16000
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    表  3  示踪粒子物理特性

    Table  3.   Physics properties of the three tracer particles used

    粒子类型粒径/μm密度/(kg·m–3)熔点/℃粒子响应时间(×10–6)/s密度比相对折射指数
    Al2O30.3~0.5210020541.5781627.91.765
    TiO20.3~0.5314018402.3622434.12.61
    ZrO20.3~0.5711027005.3495511.62.17
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-19
  • 修回日期:  2022-04-26
  • 网络出版日期:  2022-11-09

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